伺服驅動器原理及選型

伺服驅動器原理及選型1第1頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三

1.1伺服的定義和構成要素

伺服的定義

伺服的構成要素伺服系統(tǒng)—-----是使物體的位置、方位、狀態(tài)等輸出被控量能夠跟隨輸入目標值(或給定值)的任意變化的自動控制系統(tǒng)。反饋回路（半閉式）目標值發(fā)生裝置伺服驅動機械速度／位置輸出全閉位置環(huán)檢出器伺服電機2第2頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三1.1.1伺服的外觀結構和銘牌3第3頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三整流部逆變部電源部控制部電流演算部商用電源指令信號電機編碼器回転角度情報反饋1.2伺服的構成4第4頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三－－－＋＋1.2.1控制部的構成速度控制部編碼器位置反饋＋電流反饋電流控制部位置控制部位置→速度變換速度反饋速度環(huán)位置環(huán)電流環(huán)位置指令電機環(huán)路是由位置控制部、速度控制部、電流控制部發(fā)出的指令→控制部→輸出→指令反饋所形成的閉合回路。電流回路在伺服器內閉合，位置回路、速度回路向伺服驅動外輸出。5第5頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三?數字伺服的位置決定指令輸入信號是脈沖列。

位置決定量是脈沖數，位置決定速度是單位時間（秒）的脈沖量。（ＰＰＳ：Ｐｕｌｓｅ／Ｓｅｃｏｎｄ）?輸入的脈沖量與反饋的脈沖數量相一致時，這才完成了位置決定這一構成。?在位置控制部中，因為有輸入脈沖的加算、反饋脈沖的減算，所以有一個計數器。

（也稱偏差計數器）1.2.2

位置控制部的構成6第6頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三1.2.3

速度控制部的構成速度控制部的構成和積分器的運作無積分器的話，必定有一個克服負荷摩擦的轉矩，必然存在指令值與當前值的差，所以速度會達不到指令值。多早去追上指令，這個時間可通過伺服器內部的時參數來設定，這個值依存于機械的剛性。時參數請參照后頁設定方法、剛性等后述象這樣比例控制（Proportional）和積分控制（Integral）的組合就稱為PI控制。像始動時那樣,盡可能使應答遲緩減小的情況時,PI-I單純作為比例增幅器運作。在正常運行時,由于外亂轉矩等,PI-I作為積分器運作.可對速度偏差進行積分,實行修正控制.7第7頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三ＸＹＰＫＰＹｐ＝Ｋｐ?Ｘｔｘｙ1.2.4

比例動作（Ｐ動作）?將增益調整到一個相當的量時，比例動作增強，應答速度變快。?輸入偏差為0時，有連續(xù)的運作。ＸｔＹＰT=0T=08第8頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三ＸＹｉＫｉＹｉ＝Ｋｉ?∫ＸｄｔｔｔＹｉｘｙ1.2.5

積分動作（Ｉ動作）Ｘ?偏差變小、負荷動作越困難

偏差微量存在，這個量就稱為殘留偏差（偏移）。?即使是小偏差,也可以積累成大的操作量。直到偏差成為0，負荷才可以運作。T=0T=09第9頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三ＸＹＰ－ｉＫＰＹｐ-i＝Ｋｐ?（Ｘ＋１／Ｔｒ?∫Ｘｄｔ）ｔｔＹＰ－ｉ1.2.6

比例積分動作（Ｐ－Ｉ動作）Ｔｒ：積分時間Ｔ=0Ｔｒ?P動作與I動作并用。?Ｔｒ越短，動作表現越強。T=0ｘｙ10第10頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三有關電流控制的性能評價

電流環(huán)增益有關速度控制的性能評價

速度環(huán)增益

過渡應答的速度環(huán)增益

頻率應答的環(huán)增益

速度環(huán)積分時參數有關位置控制的性能評價

位置環(huán)增益

位置決定整定時間

位置決定精度1.3

伺服的性能評價評價伺服的應答性（指令輸入后輸出的情況（電機如何轉動），使用回路增益這個用語。ゲイン就是GAIN，獲得和利益的意思。是輸入和輸出之比所解釋的技術術語，現在直接使用增益來表示。輸入A輸出B系統(tǒng)增益＝B/A11第11頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三1.3.1

有關電流控制的性能評價所謂電流控制的回路增益，就是由電流控制部輸入電流指令，電流是怎樣流動的應答性。但是，這個應答性是不依存機械而存在的，回路在伺服內部，并且，這個應答性可以充分地高，因此不能與機械相調整。電流控制部電流輸出應答與電機的應答相比顯著地早12第12頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三1.3.2

有關速度控制的性能評價速度環(huán)增益和速度環(huán)積分時參數影響速度控制的性能。速度環(huán)增益中又包括過度應答的速度環(huán)增益和頻率應答的速度環(huán)增益。關于速度控制的性能評價A-1)過度應答的速度

環(huán)增益A-2)頻率應答的速度

環(huán)增益A)速度回路增益B)速度回路積分時參數13第13頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三②過度應答速度環(huán)增益

輸入階梯狀的信號之后到輸出指令值到達63.2%的這一段時間稱為時參數，這個逆數稱為速度環(huán)增益。63.2％速度100％階梯狀的速度指令（輸入）實際的電機應答（輸出）速度環(huán)增益

Kv＝1／Tm

（単位は1／ｓ）時間（ｓ）時參數

Tm（ｓ）1.3.2-A）速度環(huán)增益14第14頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三

A-2）所謂的頻率應答特性速度環(huán)增益電機回轉速度伺服器電機速度指令輸入端子速度指令電壓電機回轉速度增益＝Eｏ／Ei位相遅れ＝Φ增益是（１／）＝－３ｄｂ的頻率稱為這個頻率的頻率特性ΣⅡ是４００ＨＺ1.3.2-A）速度環(huán)增益15第15頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三＊過度應答性的速度環(huán)增益Ｋｖ和頻率應答性的速度環(huán)增益Ｋｖ`的關系

Ｋｖ＝２πＫｖ‘1.3.2-A）速度環(huán)增益16第16頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三速度環(huán)積分時參數能對應機械剛性進行設定。速度環(huán)積分時參數縮短，指令也一致縮短時間，如果不縮短，機械會發(fā)生振動。有必要設定適合的機械剛性。時間

→速度環(huán)增益和積分時參數之間有一定的關系.即使設定了最適的速度環(huán)增益速度時間積分時參數設定不良時1.3.2?B）

速度環(huán)積分時參數17第17頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三＊位置環(huán)增益

?

位置環(huán)增益就是進行位置決定的時候速度的應答性。?

在數字伺服中，位置決定指令是以脈沖信號輸入的。

位置決定量就是脈沖量。位置決定速度就是單位時間（S）內通過的脈沖數

（ＰＰＳ：Ｐｕｌｓｅ／Ｓｅｃｏｎｄ）。?

輸入的脈沖數和反饋的脈沖數一致時，才完成了位置決定過程。

?在位置控制部，輸入脈沖的加算，反饋脈沖的減算，設置計數器（也稱偏差計數器）。1.3.3

位置環(huán)增益18第18頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三速度指令の大きさで回転する。位置決定動作的實例

指令單位０．００１ｍｍ在２０的距離中以１０ｍｍ／ｓ進行位置決定。位置決定脈沖數：２０，０００

位置決定速度：１０，０００ＰＰＳε1.3.3

位置環(huán)增益（続き）19第19頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三２用戶參數目標:在學習伺服系統(tǒng)在機械電機方面的安裝時，首先要學習如何調節(jié)用戶參數。

它是位置控制與電氣之間的一個界面，它包含了電機與編碼器的工作。其他的自動控制機器的連續(xù)性和互鎖性。2.1用戶參數的定義和安裝2.2用戶參數實例20第20頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三2.1

用戶參數的定義和安裝用戶參數有兩個類型。

選擇型＊由16個環(huán)節(jié)4行組成。

＊根據各行的設定，選擇機能。

調整型

設定數值。用戶參數可通過∑WIN+軟件，數字操作器，面板操作器設定。

2-221第21頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三2.2

用戶參數概要選擇型

(Pn-000～003等)

?控制模式選擇

(位置,速度,轉矩控制)?機能使用、不使用設定?報警時的伺服運作選擇?電機回轉方向的設定?I/O信號的開斷（使用）／不使用（常時ON、OFF））調整型(Pn100等)

?各種增益

?位置決定單位、速度、及轉矩指令信號?點動速度?有關轉矩速度的參數?連續(xù)參數以下是SGDM(SGDH)伺服用的二個類型的參數。22第22頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三2.2.1選擇型用戶參數的代表例分類設定値説明電機電機回轉方向設定Pn000的0位

0以及１0:正轉1:逆轉控制模式選擇Pn000的1位0～B0:速度控制

1:位置控制

2:轉矩控制3:內部設定速度選擇

等伺服OFF時及報警發(fā)生時的停止法Pn001的0位

0?1以及2

0:以動態(tài)制動（DB）停止

1:以DB停止、在這之后DB解除

2:自由運行狀態(tài)停止超程時停止選擇Pn001的1位0?１以及20:自由運行停止１：減速停止后伺服振動2:減速停止后自由運行狀態(tài)AC/DC電源輸入選擇Pn001的2位0以及１0:AC電源輸入1:DC電源輸入警報代碼輸出Pn001的3位0以及１0:只在端子AOL1,AOL2,AOL3輸出警告代碼1:故障代碼、警告代碼兩方面輸出Pn000Pn00123第23頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三分類參數名稱出廠設定增益關系Pn100Pn101Pn102Pn103Pn104Pn105Pn106速度環(huán)增益速度環(huán)積分時參數位置環(huán)參數慣性力矩比第2速度環(huán)增益第2速度環(huán)積分時參數第2速度環(huán)增益40200040040200040單位HZ0.01ms

１／s％HZ0.01ms１／ｓ2.2.2用戶參數（調整型）代表例24第24頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三３

伺服增益的調整3.1增益的特性確認3.2在線自動運行3.3

手動運行目標：伺服增益特性的增益。

25第25頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三3.1

增益特性確認1Kv=120,Kp=80Kv=120,Kp=120位置環(huán)增益的變更→整定時間變化COIN信號使用26第26頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三3.1

增益特性確認

2速度環(huán)積分時參數超程的影響Kv=120Hz,Ti=8.0msKv=120Hz,Ti=2.0ms超程小、位置決定遲緩超程大、位置決定快速27第27頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三位置決定量：

10轉位置決定速度：

3000min-1只上升Kp,應答變快,觀察速度帶來的振動。Kv=40,Kp=100,JL/JM=460%Kv=160,Kp=100,JL/JM=460%Kv=40,Kp=40,JL/JM=460%3.1

增益特性確認

3Ｋｖ和Ｋｐ的平衡28第28頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三1)在線自動運行

在伺服的運行中測定負荷慣性的最大值,一定地保持以速度環(huán)增益或位置環(huán)增益為目標的機能。２)自動運行下的自動設定增益

①速度環(huán)增益

Kv（Pn100）②速度環(huán)積分時參數Ti（Pn101）

③位置環(huán)增益

Kp（Pn102）④轉矩指令濾波器時參數（Pn401）設定機械剛性以最初設定運轉運作ＯＫ運作ＯＫ手動調整保存結果ＪＬ變動設定常時自動運行運作ＯＫＹＥＳＮＯＮＯＹＥＳＮＯＹＥＳＮＯＹＥＳ3.2在線自動運行

29第29頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三3.3

手動運行

在手動運行不能滿足應答特性的情況、還可通過提前運行、分別地對增益一個一個地進行運行。模擬指令增益的調整指令電壓偏移最小化速度環(huán)增益的調整積分時參數的調整位置環(huán)增益的調整位置關系提前運行機能的調整僅位置控制的時候根據上位控制的指令輸出，進行增益的調整。來自上位控制的指令輸出為0的時候，電機完全停止，調整偏置。即使手動運行還不能滿足應答特性的情況,提前運行機能可適用,進行調整。積分時參數長，位置環(huán)增益小。為了得到最適應答性，調整速度環(huán)增益。直到無機械振動,將積分時參數進行縮短調整。直到無機械振動,將位置環(huán)增益進行擴大調整。30第30頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三根據不同的增益,學習如何改變應答特性。Kv=40HZTi=20msTf=1msKv=85HZTi=10msTf=0.5msKv=160HZTi=6msTf=0.21ms由始動開始到達指令值指時間為

8ｍｓ同5ｍｓ同3.7ｍｓ3.3

手動運行

31第31頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三４電機的機種和容量的選定4.1選定公式的導入4.2為選定而討論的項目

選定講習4.34.4樣本讀取的方法

再生討論4.5目標：

學習伺服電機(機種和容量)選型公式的要點。并且根據向本社用戶提供的電機選型軟件,進行選型講習和再生討論.32第32頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三400030001000200024680轉矩

(Nm)速度(min-1)瞬時最大轉矩（瞬時究竟是多少秒？

參照下頁的符負荷特性）連續(xù)使用最大轉矩連續(xù)使用區(qū)域反復使用區(qū)域RMS轉矩在連續(xù)使用范圍內的話、在過負荷特性容許時也可以使用（關于實效值以后敘述）安全使用區(qū)域RMS轉矩必須在這個區(qū)域里額定回轉速度（以額定速度運行的電機

回轉速度）SGMAH-08A失速轉矩速度為0時的轉矩50004.1樣本的讀取

1A)轉矩-回轉速度特性33第33頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三B)過負荷特性

通電時間(s)10001005310.7132電機額定電流

(%)樣本的讀取

2熱啟動冷啟動熱啟動：電機在熱飽和狀態(tài)使用的情況冷啟動：電機在充分冷卻時運作的情況額定的多少倍（％）的電流、經過幾秒流過。見右圖、冷啟動、2倍的額定電流在１０秒中流過讀取情況還是相當良好。4.134第34頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三4.1伺服選型原則及步驟一、伺服選型原則⑴力矩:負載力矩<額定力矩;加速力矩<最大力矩;⑵轉動慣量比:負載側轉動慣量與電機轉子轉動慣量比要在電機允許范圍內⑶轉速:設計轉速<電機最大轉速⑷控制方法:模擬量控制、脈沖控制或通信控制⑸安裝尺寸:應考慮電機法蘭面、軸徑、整體尺寸⑹制動器：電機是否需要帶制動器(根據機械結構）⑺使用環(huán)境：電機是否要加油封（是否有油水）⑻再生能量：再生能力是否過大，需加外置再生電阻35第35頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三4.2

選型公式的導入1工作臺：質量ｍ（ｋｇ）

移動速度ｖ（ｍ／ｍｉｎ）電機連軸器以及減速機（減速比１／Ｒ）NM（ｍin-１）機械效率

η推力：Ｆ（Ｎ）下注摩擦系數μ滾珠絲杠：

長度ＬＢ（ｍ）

導程ＰＢ（ｍ）

直徑ＤＢ（ｍ）密度ρ（ｋｇ／ｍ３）得根據ＰＢ和ｖ的關系（４－１）由36第36頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三工作臺：質量ｍ（ｋｇ）

移動速度ｖ（ｍ／ｍｉｎ）電機連軸器以及減速機（減速比１／Ｒ）NM（ｍin-１）機械效率

η推力：Ｆ（Ｎ）下注摩擦系數μ滾珠絲杠：

長度ＬＢ（ｍ）

導程ＰＢ（ｍ）直徑ＤＢ（ｍ）密度ρ（ｋｇ／ｍ３）＊電機（回轉速度：NＭ（min-１））輸出的

η倍就成為工作臺運行的動力。

這個時候電機轉矩TＬＴω＝Ｆｖ得＊另如果有那么下式也成立。注：所謂推力，就是金屬加工時與切削力反作用的力，它是外力施與工作臺的一個很重要的力。只是工作臺移動的情況時F=0。4.2

選型公式的導入

2（４－２）（４－３）由37第37頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三＊電機（回轉速度：NＭ（min-１））考慮到回轉運動能可換算改變成直線運動能、電機軸換算工作臺慣性力矩JＬ１（kg?ｍ２）可由下式導出

。得以及4.2

選定公式導入

3（４－４）（４－５）由38第38頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三（ａ）滾軸絲杠的慣性力矩JＢ與質量ＭＢ知曉的話，就導出下式。（ｂ）質量ＭＢ不知曉的話，明白材質的密度就可導出下式。體積4.2

選型公式導入

4（４－６）（４－７）39第39頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三＊電機（回転速度：NＭ（min-１））的回轉能量可以看作滾軸絲杠的回轉能量、電機軸換算的滾軸絲杠的慣性力矩JＬ3

（kg?ｍ２）可由下式導出。另的話，可得（ｃ）滾軸絲杠的電機軸換算慣性力矩根據＊電機軸換算全負荷慣性力矩ＪＬ連軸器以及減速機的慣性力矩ＪＬ２、ＪＬ注：一般來說，由電機軸來看減速機的慣性力矩是減速機廠家定好的。

不能給與連軸器的慣性力矩的，就用質量、直徑以及材質の密度直徑以及厚薄，利用公式算出滾軸絲杠的慣性力矩。4.2

選定公式導入5得到40第40頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三＊給與機械所要求的始動時間、制動時間，但究竟要給多少的始動轉矩、制動轉矩，由下式可以求得。NM始動時間ta回転速度min-1

時間ｓ角加速度ωαωα＝（２π/６０）N／ta始動時間tｄ①始動トルク（Tp（N?ｍ））＊根據回轉運動的基本公式

T=Jωα、

電機的慣性力矩JM、電機軸換算的

全負荷慣性力矩JL、所要始動轉矩

Tｐ、電機軸換算負荷轉矩TL

（Tｐ－TL）是對加速有益的轉矩

下式成立。得4.2

選型公式的導入

6（４－８）由41第41頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三＊制動時,負荷轉矩有下式的關系成立。②制動轉矩（Tｓ（N?ｍ））注：

這個式子的成立條件,電機產生的轉矩(電流)飽和并且電機回轉速度接近額定速度?；剞D速度低的時候的始動時間隨著應答性是由增益決定的.得NM始動時間

ta回轉速度min-1

時間ｓ角加速度ωαωα＝（２π/６０）N／ta制動時間tｄ4.2

選定公式導入

7（４－９）由42第42頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三4.3為選定所討論的項目實效值這個電流

Ｉ稱為

電流

i1(t1）i2(t2)

i

3(t3)的實效值。1電阻RΩｔ1

ｔ（t1+t2+t3+t4）ｔ3ｔ4t２i1-i3ｉ２電阻R的電流器如下圖與電流流過時的發(fā)熱量相同,直流電I與發(fā)熱量Q的關系:Q＝ｉ１２Ｒｔ１＋ｉ２２Ｒｔ２＋（－ｉ３）２Ｒｔ３＝Ｉ２Ｒｔ在伺服器的情況下,轉矩與電流成正比關系,轉矩的實效值與電流實效值計算方法相同,這個值在額定轉矩以下的話,電機就會產生熱量。43第43頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三4.4

選定講習工作臺：質量ｍ（ｋｇ）

移動速度ｖ（ｍ／ｍｉｎ）電機連軸器以及減速機（減速比１／Ｒ）NM（ｍin-１）機械效率

η推力：Ｆ（Ｎ）摩擦系數μ滾珠絲杠：

長度ＬＢ（ｍ）

導程ＰＢ（ｍ）

直徑ＤＢ（ｍ）密度ρ（ｋｇ／ｍ３）根據左圖的機械例,想定具體的值,進行電機選定的講習。?工作臺質量

m：50（kg）?工作臺移動所要求的推力

F：2（Ｎ）?工作臺臺面的摩擦系數

μ：0.2?機械效率

η：0.9?工作臺移動速度

ｖ：12（m/min）?滾軸絲杠導程

PB：6（mm）?滾軸絲杠長度

LB：１（m）?滾軸絲杠直徑

DB：25（mm）?滾軸絲杠材質密度

ρ：7.87（ｋｇ